低壓成套設備中銅鋁復合母線的合理應用及選擇方法

馮立瑋

（甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741000）

1 應用銅鋁復合母線的意義

近年來，全球銅價不斷飆升。雖受全球經濟危機的影響，2008 年銅價急劇下跌。然而，在2009 年以后，由于對全球經濟復蘇的預期以及一些國家的采購和存儲策略，銅價迅速反彈。預計未來銅資源供應將面臨挑戰，因此，銅價有望持續上漲，給下游工業用戶帶來了制造成本居高不下的問題。高銅價還對加快升級和更換導體材料的速度產生了積極影響[1]。中國銅資源稀缺，是高度依賴進口的國家。鋁資源儲備是世界第一，是純出口國。根據相關數據，中國國內銅精礦供應量不足30%，其中70%以上依靠進口，遠高于中國對鐵礦石和石油的依賴。由于中國對銅的需求日益增長，進口依賴程度的提高帶來了一定的風險。為了應對這一挑戰，中國可以通過多種途徑來緩解銅資源供應壓力。

2 銅鋁復合母線排介紹

銅鋁復合母線排是一種高效、節能的電力傳輸設備，由銅和鋁組成。它具有良好的導電性能和機械強度，廣泛應用于電力系統、工業制造和建筑領域。銅鋁復合母線排的導電性能優異。銅具有極佳的導電性能，而鋁則具有較低的電阻和良好的導電特性。通過將銅和鋁2 種材料復合在一起，可以充分發揮它們各自的優勢，提高整體的導電性能。這使得銅鋁復合母線排能夠承載更大的電流負荷，減少能量損耗，提高電力傳輸效率。另外，銅鋁復合母線排具有良好的機械強度。由于鋁材料相對較輕，銅鋁復合母線排相比純銅母線排更輕便，更易于安裝和維護。同時，銅鋁復合母線排還具有較高的耐腐蝕性和抗氧化性，能夠在惡劣的環境條件下保持長期穩定地運行[2]。

銅鋁復合母線排是一種常用于電力傳輸和配電系統中的重要組件。根據其規格和特性，可以將其分為TLMY-15和TLMY-20兩種型號。

TLMY-15 型號的寬度不超過60 mm，厚度不超過5 mm。在整個截面積中，銅層面積占據了15%。這意味著銅層的面積相對較小，但仍能滿足一定的電流傳輸需求。TLMY-15型號適用于一些較小規模的電力傳輸系統。另一種型號是TLMY-20，與TLMY-15相比，TLMY-20型號的寬度要大于80 mm，厚度也要大于6 mm。在整個截面積中，銅層面積占據了20%。這意味著銅層的面積更大，因此，具有更好的導電性能和承載能力。TLMY-20型號適用于一些較大規模的電力傳輸系統，例如高壓配電系統或工業生產線。

無論是TLMY-15 還是TLMY-20，銅鋁復合母線排都采用了銅和鋁復合結構。銅層提供了良好的導電性能，而鋁層則降低了成本并減輕了整個母線排的重量。這種復合結構使得銅鋁復合母線排在電力傳輸中具有較高的效率和可靠性。

3 銅鋁復合母線對產品質量的影響因素

導電體的材質對于器件的抗溫升和耐短路性能有著重要影響。在相同電流條件下，不同材質的導線具有不同的直流阻抗，導致它們的溫度升高也不同。為了確保導線的正常工作和溫度升高不超過預定值，在一定的散熱條件下，為了確保導線的正常工作和溫度升高不超過預定值，需要根據導線的導電率選擇合適的截面積。因此，有必要進行研究，比較銅母線和鋁母線在相同溫升和長度條件下的斷面對應關系。溫度升高會對導線的直流電阻、截面積以及散熱情況等因素產生密切影響。利用牛頓熱傳導方程（Ps=KTAr），可以計算銅鋁復合母線和銅母線所對應的斷面積關系。通過該方程，也可以確定復合母線所需的合適截面積，以滿足相同的溫升要求。這樣的研究對于選擇適當的導線材料和設計優化銅鋁復合母線結構至關重要。通過進行數值模擬和相關計算，更好地了解銅母線的性能，并且為其設計和應用提供準確的參考。導體的穩定溫升可通過以下公式計算：

式中：i2KfR是導體電阻損耗產生的熱量，KA是通過輻射和對流散發的熱量，當導體產生的熱量和通過輻射、對流散發的熱平衡時,達到穩定溫升。

為了計算銅母線和鋁復合母線的截面積比，需要保持溫升、電流和導體長度不變。其中式（1）中：L為導體長度（m）；S為導體截面積（m2）；A為導體表面積（m2）；Kf為趨膚系數，i為電流峰值（A），K為總散熱系數。

在考慮總散熱系數K時，它包括輻射和對流散熱系數以及導體散熱系數的總和。總散熱因數K由輻射和對流散熱因數與導體散熱因數之和組成。在測試銅匯流排和銅鋁復合匯流排時，由于它們處于相同的測試結構和環境條件下，可以將輻射和對流的散熱系數視為恒定值。計算這2種不同導體截面比例時，溫升、電流、導體長度均相同，趨膚系數Kf，當橫截面較小時，可以忽略銅鋁復合母線和銅母線之間的差異。在這種情況下，可以用KL/K表示為常數，用F來表示。

設導體厚度為a，寬度為b，那么導體的截面積可以表示為S=a×b。導體的散熱表面積為A=2（a+b）L，其中L為導體長度。根據單位長度的散熱表面積可以表示為A′=2（a+b），溫升的大小取決于導體的直流電阻率ρ以及導體尺寸a和b。假設銅母線的溫升為τT，銅鋁復合母線的溫升為τF。這意味著通過比較直流電阻率和導體尺寸，可以評估不同類型母線的散熱性能，并進一步了解它們在實際工作條件下的溫升情況。則

式中：[ab（a+b）]F為銅鋁復合母線截面參數，ab（a+b）為銅母線截面參數，直流電阻率分別為ρT=0.017 77和ρF=0.025 54，分別是銅母線和銅鋁復合母線在20°C時的直流電阻率。

當銅鋁復合母線與銅母線具有相同的寬度時，銅鋁復合母線的厚度相比銅母線增加了33%。相反，當銅鋁復合母線與銅母線具有相同的厚度時，銅鋁復合母線的寬度增加了20%。銅母線和銅鋁復合母線截面對照表見表1。

表1 厚度與寬度規格

一般情況下，通過減小低壓成套開關柜同一相母線內2 個絕緣支撐件之間的距離，增加母線的橫截面，特別是母線的厚度，可以很大地提高母線的動穩定性，母線的熱穩定性僅取決于其橫截面。在安裝母線時，絕緣支撐件的安裝尺寸和所能承載的動熱穩定電流也應該和母線的尺寸及開關柜的短路電流相匹配，以上這些因素對于設計和選擇合適的母線以確保系統的安全和穩定運行至關重要[3]。

導體的經濟電流密度的選擇應當考慮線材部分的熱穩定性要求。對于銅鋁復合導體，除了滿足溫升和動態熱穩定性的要求外，還需考慮其在沖壓、彎曲加工以及應對熱膨脹引起的應力方面的性能。此外，制備工藝也會對銅鋁復合導體的界面結合強度產生影響，不同的工藝最終會影響到導體的界面結合強度。因此，在選擇導體時需綜合考慮上述因素，以確保滿足各項要求。

4 銅鋁復合母線的關鍵技術性能

4.1 銅鋁復合母線的性能參數

電氣性能是其主要的性能指標之一，可以通過直流電阻率或20 ℃下的負載容量來衡量。直流電阻率是指單位長度內電流通過時的電阻大小，通常以Ω∕m為單位表示。負載容量則指在特定溫度條件下，母線所能承受的最大電流。力學性質也是評估銅鋁母線性能的重要指標。抗拉強度是指材料在拉伸過程中能夠承受的最大應力，通常以MPa為單位表示。延伸率則是材料在斷裂前能夠發生塑性變形的程度，以百分比表示。撓曲性能指材料在受到外力作用時的彎曲能力，而結合強度則描述了材料與其他部件連接的牢固程度。銅母線和銅鋁復合母線導電性能參數對照表見表2。

表2 導電材料性能對比

4.2 銅鋁復合母線的關鍵參數

銅-鋁基復合材料的界面結合強度對其導熱性能有著重要的影響。DL∕T 247標準規定了這一強度應高于35 MPa。如果界面結合強度低于此標準，由于熱膨脹和收縮引起的應力可能會對銅和鋁產生損傷。此外，界面結合問題還容易導致電偶腐蝕，并帶來潛在的風險，如失效、短路以及火災等。銅層的體積比例也是影響復合材料性能的重要因素之一。較厚的銅層可以提高導電性能，但同時也增加了制造難度和成本。然而，當銅層厚度超過某個特定值后，電導率并不會顯著提高，而成本卻大幅增加[4]。因此，在設計中需要找到一個合適的平衡點。功率工業規范DL∕T 247對T2箱體進行了優化研究，發現在20%的容積率和20%的體積比例下，可以獲得86%的T2箱體。當體積比例小于標準值時，電流容量會減小，整機溫升會增加。這可能會導致能源消耗的增加，并對設備的安全性產生影響。

5 銅鋁復合排的選用原則

5.1 產品標準

根據國家電網公司“全國能源管理規劃”，蘇州華通等公司從2012年7月1日起開始執行國家能源局頒布的《輸變電設備用銅包鋁母線》標準。該標準詳細規定了產品的技術指標和檢測方法，并對產品的生產、銷售等環節也做出了詳細規定。

5.2 選用原則

選擇銅鋁復合母線時，需要選擇符合標準的產品，否則可能很危險。

1）不能保證未經標準檢驗的產品質量。

2）如果發現任何用于3C 認證的產品不符合認證要求，將對其處以罰款或刪除。

根據國家認證認可監督管理委員會要求，銅鋁復合母線必須要在中國合格評定認可委員會（CNAS）授權的檢測機構經過檢測，并取得合格檢測報告。由于銅鋁復合母線的加工技術不同，含銅量和含鋁量不同，因此，產品的質量也不同。因此，提供的銅鋁復合母線的檢測報告必須符合《輸變電設備用銅包鋁母線》DL∕T 247—2012電力行業標準，以及根據GB∕T 9327 標準進行1 000 次熱循環測試的報告。滿足上述要求的2個測試報告可以在低壓成套開關柜中使用銅鋁復合母線，這2 個測試報告表明，銅鋁復合母線的性能參數符合電力行業標準的要求，并且使用的可靠性是可以保證的[5]。

5.3 加工工藝

在加工時要注意以下幾點，以免在加工過程中破壞界面黏合。（1）切割：使用切割設備時，工件的中部或兩側必須嚴重變形，以免銅和鋁剝落。（2）鉆孔：用鉆孔機鉆孔時，必須將下部備份，不允許懸空。鉆孔時，必須用乳液或肥皂水冷卻。嘗試鉆孔或在鉆孔后，必須輕按。（3）彎曲以防止銅或鋁在底部或頂部剝離。（4）焊接：①從復合材料排的焊接接頭的兩側除去4～6 mm 的銅，以露出鋁制零件；②使用交流氬弧焊機焊接復合熱的裸露鋁部分；③焊接噴砂；④只能使用銅熱噴涂機進行噴涂；⑤將焊好的銅粉打磨平整。（5）擰緊：使用螺栓固定鍍鋁鋁柱時，請使用厚的大平衡環。如果有蝶形彈簧，在蝶形彈簧上墊上2～3 mm 厚的鋼板，然后將其鋪在鍍銅鋁柱上。壓力和緊固扭矩必須符合GBJ 14990的要求。

6 結論

綜上所述，當鋁材表面發生氧化后，會形成絕緣層，而這會導致接觸電阻增加，同時也會產生進一步的熱量。這種情況將加速氧化反應的發生，形成了一個惡性循環，最終可能導致接觸界面斷電，甚至引發火災等嚴重后果。因此，鋁棒大約需要每十年更換一次，在這種背景下，銅鋁母線應運而生。銅鋁復合母線的成功研發實現了以鋁取代稀缺的銅資源，不僅有效降低了生產成本，也對國家稀缺銅資源的合理利用起到了重要作用。這種材料已經通過試驗和大量工程中的應用證明了其可靠性。銅鋁復合母線的推廣應用不僅滿足了電氣控制和配電設備制造商對原材料的需求，還有助于實現資源的可持續利用。

低壓成套設備中銅鋁復合母線的合理應用及選擇方法是確保設備正常運行和安全的關鍵。根據設備的電流負荷和導體距離來選擇合適的銅鋁復合母線，并考慮材料品質、規格選擇和維護方便性等因素，可以提高設備的導電性能和穩定性，降低溫升，保證設備的正常運行和安全，同時延長設備的使用壽命。因此，在低壓成套設備中合理應用銅鋁復合母線，是今后低壓成套開關設備生產的必然選擇，也為電力行業的發展做出了積極的貢獻。